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引力波理论家(从左到右)罗伯特·奥本海默、罗杰·彭罗斯、阿尔伯特·爱因斯坦、卡尔·史瓦西、亚瑟·爱丁顿、基普·索恩和理查德·费曼,他们的工作铺平了LIGO上周宣布的大公告。

照片来源:OLENA SHMAHALO/QUANTA MAGAZINE; 基普·索恩由 A.T. SERVICE提供,罗杰·彭罗斯由 FESTIVAL DELLA SCIENZA提供。

“没有引力波… ” … “平面引力波,沿X轴正向移动,因此可以被找到… ” … “ …引力波并不存在 ” … “引力波存在吗?” … “事实证明,严格的解决方案是存在的… ”

第 1 段(可获 2 积分)

这些都是阿尔伯特·爱因斯坦说过的话。二十年来,他对引力波含糊其辞,不确定他在1915年提出的革命性的广义相对论,是否能在空间和时间的维度上预测或者排除出这些波动。全部理论的巧妙概念——它揭示了重力在“时空”中的曲线效果——其数学结构是非常复杂的。

这个问题在上周被一劳永逸地解决了,在先进的激光干涉引力波天文台(Advanced LIGO)的科学家们报告说,他们探测到了超过十亿光年距离之外的、由于两个黑洞合并产生的引力波。探测信号——在时空中微小的收缩和扩张,被称为“时空涟漪”——需要使用高超的技术手段。但是,科学家们也花了100年时间,来精确地确认爱因斯坦的理论预测:引力波不仅存在,而且从一对合并黑洞的宇宙看去,它们会是什么样子的——时空中无法逃逸的陡峭陷坑,这个存在会让爱因斯坦的心情更加沉重。

第 2 段(可获 2 积分)

Daniel Kennefick 丹尼尔·肯内菲克,阿肯色大学的理论物理学家,从研究生开始就与LIGO的联合创始人Kip Thorne一起工作,来解开广义相对论的预言。着迷于有争议的引力波历史研究,Kennefick肯内菲克开始了历史学家的兼职;他是2007年Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves《以思考的速度旅行:爱因斯坦和他对引力波的追寻》的作者,并且去年还合著了An Einstein Encyclopedia《爱因斯坦百科全书》。在周四大宣告前后的讨论中,Kennefick肯内菲克讲述了一路走来的旅程,并揭示了理论家们由此将要去往的领域。后面会有这次谈话内容的剪辑浓缩版。

第 3 段(可获 2 积分)

量子杂志: 上星期四的公告,对你来说有多兴奋?

DANIEL KENNEFICK 丹尼尔 肯内菲克:我不敢相信,这是多么让人兴奋。这太伟大了,历史上这块领域颇具争议,而现在有了这么不容置疑的发现。他们不必像我们许多人期望的那样,把这个信号从背景噪音中挖出来;你用自己的眼睛就能真实地从数据中发现它。而且从理论家的角度来说,理论预测与现实如此接近,确实让人激动。这个信号存在,而且他们预测到了两个黑洞合并产生的波形将会把它覆盖住。

第 4 段(可获 2 积分)

你会如何描述成就了这个时刻的引力波研究历史?

毫无疑问,有个大的特征一直有争议——一系列的争议。争论引力波是否存在。它们真的存在吗?它们携带能量吗?它们是以某种我们希望探测到的方式存在吗?甚至只是存在性:现实是什么?你是这里做测量吗?还只是在开玩笑?

从一开始便是如此。我们知道引力波首次被提到,还是从爱因斯坦那里听到说它们并不存在。对于100年前的人们来说,引力波是一个非常勇敢的、大胆的设想,总还有那种不确定的感觉。一个问题将得到答案,但一个新问题即将浮现。

 

第 5 段(可获 2 积分)

你书名中的词语—“以思考的速度旅行”—是怎么捕捉到这种不确定性的?

1916年,当爱因斯坦写名为《预测引力波》的论文的时候,他认为他已经发现了三种不同的引力波。那一年的早些时候,当他认为引力波不存在时,他一直使用的是错误的坐标系统。在同事的建议下,他改而使用了另一个不同的坐标系,这让他更清楚地意识到引力波的存在。 但这个坐标系统本身是一种波形,所以导致他认为他观察到了两种引力波,其实只是在波形坐标系中看到的平坦空间而已;它们根本不是真正的引力波。

第 6 段(可获 2 积分)

[英国天文学家和物理学家]Arthur Stanley Eddington 亚瑟·斯坦利·爱丁顿在1922年对爱因斯坦的论文作出回应,他感兴趣的问题是:引力波是以光速在传播吗? 答案是,肯定的,正如我们现在所知道的那样。爱丁顿通过他的计算表明,他发现两个其他类型的波, 寄生的波形,可以以任意速度传播,而这取决于你使用的坐标系统,所以他说这些假波“以思想的速度旅行。”这是个一语双关的短语,因为一方面,它表达了怀疑主义 —— ”以思考的速度旅行“是不真实的。 而另一方面,则表现了怀疑论的重要性,因为毕竟,引力波的类型并没有三种,只有一种而已。

第 7 段(可获 2 积分)

然后爱因斯坦在1936年又一次改变了主意,说引力波不存在。为什么会这样?

爱因斯坦和他的助手纳森·罗森 Nathan Rosen 着手寻找一个精确的[而不是近似]引力波解,他们发现了一个问题。无论他们如何试图建立他们的坐标系统,他们总会在时空的某个地方发现了“奇点”。奇点的意思是,我们不能在这个地方指定引力波到底有多大。现在的事实是,这个奇点只是一个坐标奇点,它并不是引力波的真正问题。

第 8 段(可获 2 积分)

Einstein on the beach in Santa Barbara, Calif. (undated).

爱因斯坦在加州圣巴巴拉的海滩上(日期不明)。加州理工大学档案馆提供

我们想想北极点。如果我问你北极点的经度是多少,你会说:“嗯,所有的经度线都会贯穿北极点。” 我们的测量系统跟这里情况类似,这并不意味着北极点不存在,也不意味着你不能去那里。物理意义上,它是存在的。所以爱因斯坦和罗森都被搞糊涂了。 他们认为,既然存在一个奇点,那就是为引力波不存在提供了证明。所以他们写了这篇论文,并把它发送到《物理评论》 Physical Review。而审稿人却写了一份长达10页的报告,指出了存在错误的可能性,并将报告反馈给了爱因斯坦。爱因斯坦 很生气,只是将这篇论文撤回了。

第 9 段(可获 2 积分)

有些人开始争论说,即便引力波确实存在,也不可能感觉到它们。

1955年,内森•罗森 Nathan Rosen 试图辩称,引力波不能携带任何能量, 因而,它们只是一个正式的数学结构,没有真正的物理意义。有个好例子可以帮助我们来理解它, 如果我身处大海里, 同时海洋也在急速膨胀,我可能都意识不到膨胀的存在,因为我会与波浪一起上升,然后随之下沉, 我周围的一切也会如此。如果引力波就像深海膨胀,它们真的会和我们互动吗?还是我们只能随着引力波而随波逐流?这是50年代的一次大辩论。

第 10 段(可获 2 积分)

问题是怎么解决的?

罗森的观点是在1957年,在北卡罗来纳州教堂山召开的一次会议上提出的,非常幸运的是,一位名叫 Felix Pirani 费利克斯·皮拉尼的人,当时他去了会场,不幸地是他现在刚刚过世。他决定,使用一种非常实用的、围绕整个问题的坐标系统的方法,来看看广义相对论是如何工作的,并且他指出,当引力波经过时,会使粒子来回移动。

Richard Feynman 理查德·费曼 听到Pirani皮拉尼的讲话后说,在本质上,“好吧,既然我们知道了粒子在运动,所有我们要做的,就是想象有一根棍子,然后我们在棍子上附着一些水珠。当引力波经过的时候,这些水珠将会来回移动,但这根棍子还是刚性的,因为棍子内的电磁力会试图使原子和电子仍然保持在跟原来一样的位置上。所以水珠试图拖曳棍子,因此摩擦产生了能量。而且能量是来自引力波的。所以我认为引力波可以携带能量。” 所以这个著名的“粘性水珠” 思想实验说服了很多人,没有任何理由不去怀疑罗森提出的观点。 然后像 Joe Weber 乔•韦伯 这样的人,在不久后就开始尝试探测引力波。

第 11 段(可获 2 积分)

但是人们仍然不知道,是否存在某些强大到足以被探测出来的天体物理引力波源,对吗?

Einstein showed in 1918 that dumbbell-like systems that rotate about two axes at once, such as binary stars, radiate gravitational waves.

爱因斯坦在1918年展示的,同时绕着两个轴旋转的哑铃状系统,比如辐射引力波的双星。LIGO

是的。爱因斯坦写道,找到行为受引力波影响的系统,是不可能的。他指出,来自典型双星系统的引力波,能带走的能量太少,我们甚至都不会注意到这个系统已经改变了—— 真的是这样的。我们能从两个黑洞看到它的原因是,它们之间的距离比两个恒星之间更为接近。黑洞如此微小,但又如此巨大,它们可以在一起近距离地、绕着对方、非常迅速地移动。因为爱因斯坦并不相信黑洞的存在,他就无法想象能以这样的方式存在、能看到引力波的系统。

 

第 12 段(可获 2 积分)

1916年,Karl Schwarzschild 卡尔·史瓦西发现了爱因斯坦方程的黑洞解, 同年爱因斯坦预言了引力波。 之后,爱因斯坦为什么不相信有黑洞呢?

黑洞本身的复杂历史非常具有争议性,LIGO的探测发现是第一个为黑洞的存在提供了真正意义上的完整证明。在1916年,爱因斯坦认为 Schwarzschild 史瓦西刚刚发现了一个物理简化:为简单起见,人们可将地球视为一个质点[将它的质量全集中到一个点],他们给出了“史瓦西解”—— 就是我们现在所说的黑洞——为了方便,把太阳也当做一个质点。他们没有想过,它会是一个真实的点,那里集中了大量的质量。他们认为那是不可能的,违背已知规律的。到了20世纪30年代,人们看到了黎明的曙光,“你知道,我们还不完全清楚,我们现有的理论阻碍了这种情况的发生。” 渐渐地,像  Robert Oppenheimer 罗伯特·奥本海默——著名的曼哈顿计划洛斯阿拉莫斯实验室的主任—— 这样的人,开始展示恒星塌陷的可能性是存在的,实际上,最后的生成物与史瓦西解看上去确实很接近。1960年,这项工作由 John Wheeler 约翰·惠勒集团接手, Kip Thorne 基普·索恩曾是其学生,而正是该集团发展了黑洞理论。

第 13 段(可获 2 积分)

人们是怎么算出,由黑洞合并产生的引力波,会跟地球上的看到的很像?

The gravitational-wave “chirp” observed by Advanced LIGO’s Hanford (top left) and Livingston (top right) detectors, compared to theoretical predictions (bottom row) of the chirp from two black holes of 29 and 36 solar masses, respectively, merging 1.3 billion light-years away.

由” Advanced LIGO的汉福德(左上)和 利文斯顿(右上)的探测器观察到的引力波的 “振铃信号”,与由29个太阳质量和36个太阳质量的两个黑洞合并所产生振铃的理论预测(下排)进行对比,合并发生在13亿光年的距离之外。 B. P. Abbott 等等,Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger《观测由二元黑洞合并产生的引力波》, Phys. Rev. Lett. 116, 061102

一个关键问题是附加条件——从无穷远处没有引力波进入二元黑洞系统,只有向无穷远处辐射的引力波。但这其实很难做到,因为跟你需要描述的黑洞本身相比,你通常需要一个完全不同的数学特征公式,来描述非常遥远的引力场——在“无穷远处”或者就在地球上某处。在20世纪的50年代、60年代,人们会尝试做这种计算,但会得到错误的答案。在某些情况下,他们会得到一种答案,黑洞获得了能量,而不是失去能量,因为他们犯了一个错误,认为有从无穷远处携带能量的引力波入射进系统里。所以在20世纪60年代,有像罗杰·彭罗斯 Roger Penrose—— 伟大的英国相对论者——这样的人,对时空结构进行了研究。并且彭罗斯 Penrose 发现,在空间和时间的边缘的无穷远处不止一个,你必须选择正确的无穷远处来作为附加条件。然后其他人引入了流体动力学的技术。这些只是许多不同概念的例子,以及必须要做的公式化突破。

第 14 段(可获 2 积分)

接下来是预测LIGO可能探测到的特定信号。

那是在我还是作为Kip小组年轻的学生成员时的第一次小组会议上——大概是1991年左右——他带着一大张纸来了,上面是他打印出的,想让LIGO发挥作用,在理论方面需要做的所有事情。你可以探测出信号的原因是,它进行特征扫描,然后你对它的数据进行过滤。但前提是你要知道信号是什么样子的,才能过滤出来,而且因为你从来没有见过它,所以你只能知道理论家告诉你的样子。所以Kip说,我想工作组里的每个人都为之努力。而这就是我们所做的工作。

第 15 段(可获 2 积分)

在黑洞重新稳定下来,不再放射出引力波的时候,LIGO可以得到最后阶段的信号,你会想从这阶段的一开始就对引力波形有所预测。但是没有一劳永逸的办法。在第一阶段,你可以用当时已经存在的近似方法,但你会发现还有必要做几个数量级更高的近似,这就很困难了。接下来,当黑洞合并时,重力会出奇的强大,所以你需要数值方法,在超级计算机上进行计算。有一大堆的人会尝试这样做,但他们会面临严峻的挑战。他们不能使两个黑洞在很短的规定时间内进化,这就没有意义了。所以几年前,他们基本上决定,“我们没得选了。我们将会改变坐标系统,直到我们可以找到一些能使我们不崩溃的东西。” 一个名为 Frans Pretorius 弗朗斯·普里托里厄斯 的人发现了成功的方法,从此计算变得很顺利。

第 16 段(可获 2 积分)

我们有了这样的期望,LIGO将通过探测先前未知天体的引力波,从此“打开宇宙的一扇新窗口”。考虑到从黑洞合并中识别信号所作出的努力,我们要如何才能看到那些意料之外的事情?

是的,有一些意料之外的发现,真是让人很兴奋。一种可能性是,它可能会以一个非常强大的信号的方式出现,帮助我们走出困境。这样的期待值或许有点太高了,因为原始版本的LIGO已经上线很长一段时间了,如果信号非常强大,LIGO 就会发现它了。看来意外之喜不会那么容易就得到的,我们要不试着把它从背景噪声中挖出来?

第 17 段(可获 2 积分)

一种答案是,在你都不清楚信号细节是什么样子的地方,还有某些类型的技术,一直受到人们的关注,但你寻找的只是某些规律——例如,也许这个意料之外的信号至少是个周期信号。LIGO肯定是这样做的。他们甚至有一个“Einstein@Home”项目,如果你报名参加的话,他们将给你家里的电脑发送一份LIGO的数据,你的电脑将会帮你寻找简单的规律。另一种方法是利用学习型机器,尝试教会机器去寻找信号。从你知道的开始,随着时间的推移,可以小小期待一下,希望这些技术可能会完善并发展,它们能变得足够灵活来抓住你意料之外的惊喜。

第 18 段(可获 2 积分)

你从这个故事中得到了什么启示?

令我惊讶的是团队的不懈努力。这项壮举,也只能在通力协作下才能完成,每走一步都很艰难,而且必须环环相扣。这个过程中充满了争议与纠纷。大家还会对着对方大声嚷嚷。但最终还是人性中优秀的一面赢得了胜利。人们克制住了自己的愤怒。爱因斯坦克制了他的愤怒。有些人承认了他们的错误。最后,作为一个团队,我们到了胜利的彼岸。

Original story《原始故事》获得了Quanta Magazine《量子杂志》的转印许可,这是由Simons Foundation西蒙斯基金会 编辑独立出版的刊物,其目的是通过介绍数学、物理和生命科学方面的研究进展、趋势,从而提高公众对科学的认识。

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